薄板烘丝机预热过程热力学参数耦合作用分析及料头稳定性优化

0引言

在烟草制丝工艺中,烘丝工序对最终产品的填充值及感官品质具有决定性作用。RD-5000型薄板烘丝机(根据设备固有程序,后文使用bar作为该设备压力单位)作为主流设备,其热传导效率直接影响烟丝脱水均匀性。但实际生产中,车间环境温湿度波动(ΔT=±5℃,RH±15%)导致设备预热阶段存在显著的热惯性差异。特别是早班首批运行时,筒壁温度稳态建立时间达正常批次的3倍(分别为45 min及15 min),造成料头阶段(前30 min)出口水分波动系数高达0.35,严重影响产品均质化水平。本研究通过建立热力学参数关联模型,提出基于冷凝水温度反馈的预热优化方案,对提升制丝工艺稳定性具有重要的工程价值。

1烘丝工艺现状及问题

1.1 工艺热力学特征

烘丝工序旨在通过对烟丝进行加热干燥,调整其水分含量,改善烟丝的物理和化学性质,提升卷烟的吸食品质。

RD-5000型设备采用逆流式热交换设计,筒壁温度场分布遵循Fourier热传导定律^[1]:q''=-K▽T,其中K为烟丝热导率[0.12~0.18 W/(m.K)],▽T为温度梯度。蒸汽压力(0.3~0.5 Mpa)通过筒壁传导热量,冷凝水温度(125~135℃)反映系统热平衡状态。

1.2 工艺波动分析

由于制丝车间环境条件的变化,烘丝机烘丝筒壁实测温度从开始上升至稳定生产状态(123.8℃)的时间存在较大差异。据统计,某卷烟厂首批烟因早上车间环境和设备温度较低,温度上升至稳定平均需要45 min左右,而正常批次仅需15 min左右。并且,早班首批在预热完成进入准备状态时,筒壁实测温度仅约100℃,此时进料会使筒壁实测温度上升时间延长至约1 h,热力学滞后导致料头烟丝脱水速率差异达28%,显著影响后续卷制工艺参数匹配,难以保证产品质量的一致性。

2 关键参数关联分析及优化方案

2.1冷凝水温与筒壁温度(压力)关系

对不同牌号筒壁温度(压力)的批间数据进行统计分析,画出烘丝冷凝水温、烘丝筒壁温度、烘丝筒壁压力的散点图。由图1可以看出,冷凝水温与烘丝筒壁温度、烘丝筒壁压力呈正相关关系,即烘丝筒壁温度、烘丝筒壁压力越高,冷凝水温度越高。

对冷凝水温—筒壁温度 (压力)进行相关性分析,结果如表1所示。

可以发现,烘丝冷凝水温与烘丝筒壁温度、烘丝筒壁压力存在显著的正相关性,相关系数均为0.988,P值都小于0.05。

对不同牌号不同筒壁蒸汽压力(温度)及冷凝水温度的数据进行统计,结果如表2所示。

由表2可以看出,冷凝水温度与筒壁温度差值均在3℃以内。

对某一品牌批内数据进行分析,结果如图2所示。

在冷凝水排放通畅的情况下,冷凝水温度批内波动相对稳定,在129.1~129.9℃的范围内波动,均值为129.6℃ ,批次间均值差异不大。进料开始后,由于烘筒环境与烟丝进行热交换产生大量冷凝水,温度会下降,这属于正常现象。随着烟丝流量稳定,烘丝脱水呈稳定状态后,筒壁实测温度逐渐上升,冷凝水温度也逐渐上升至稳定值。

基于此分析,如果冷凝水温度与筒壁温度差值超过3℃ ,说明烘丝系统存在冷凝水排放不畅的问题,操作人员可据此进行冷凝水的手动排放。同时,在批次开始前的准备状态下,该差值也可作为判断预热是否充分的重要依据。

2.2 筒壁压力—温度耦合效应

通过对不同牌号筒壁温度(压力)的批间数据进行统计分析,画出烘丝筒壁实测温度(烘丝筒壁温度 ST5,ST5为设备温度监测点代码)、烘丝筒壁温度、烘丝筒壁压力的散点图(图3),进行初步判断。

可以看出,烘丝筒壁实测温度ST5与烘丝筒壁温度、烘丝筒壁压力呈正相关关系,即烘丝筒壁温度越高,烘丝筒壁实测温度ST5越高;烘丝筒壁压力越大,烘丝筒壁实测温度ST5越高。

对筒壁实测温度—筒壁温度(压力)进行相关性分析,结果如表3所示。

可以发现,烘丝筒壁实测温度ST5与烘丝筒壁温度、烘丝筒壁压力存在显著的正相关性,相关系数均为0.741,P值都小于0.05。

对不同牌号不同筒壁蒸汽压力(温度)及筒壁实测数据进行统计,结果如表4所示。

由表4可以看出,筒壁实测温度ST5与筒壁温度差值均在10℃以内,在批次间筒壁实测温度ST5相对稳定,与筒壁压力呈正相关性,筒壁温度也是表征烘丝透水能力及蒸汽系统、冷凝水排放是否正常的重要指标。

对某一品牌批内数据进行分析,结果如图4所示。

由图4可知,筒壁实测温度批次内由111.3℃至123.8℃ ,呈上升趋势。批间准备好的状态下,筒壁蒸汽压力在0.8 bar,筒壁温度在116℃左右;进入生产状态后,筒壁蒸汽压力上升到2.4bar,筒壁温度在135.7℃左右,随着筒壁压力上升,筒壁实测温度逐渐由111.3℃开始升高,在15 min左右,达到稳定值123.8℃ ,直至批次生产结束。筒壁实测温度是一个在一定范围内逐渐上升的参数,其中,在批次间筒壁实测温度上升至稳定的时间不固定,首批与正常批、早与晚、冬季与夏季差异较大,时间在15~45min 不等。

2.3优化方案

2.3.1分级预热控制

开发温度梯度控制策略,如表5所示。

2.3.2动态排放优化

根据冷凝水温—烘丝筒壁温度关系建立多元回归模型:

Twall=25.6+0.82Tcond(R²=0.976)

式中:Twall代表烘丝筒壁温度(℃);Tcond代表冷凝水温(℃)。

当|Tcond-Twall|>3℃时,系统存在冷凝水滞留风险(X2=18.7,P<0.01)。通过实施温差预警机制,冷凝水排放效率提升40%。

设计冷凝水温度反馈算法:

Qdrain=k1 (Tcond-Twall)+k2.dT/dt

式中:Qdrain为冷凝水动态排放速率 (L/min);Twall为烘丝筒壁温度(℃);Tcond为冷凝水温(℃);k1=0.15 L/(℃·min);k2=0.08 L.min/℃。

实施后冷凝水滞留量减少72%。

3 效果验证

经三个月生产验证(n=686批),效果如表6所示。

在实施上述解决方案后,对后续生产批次进行跟踪监测。经686生产批次验证,结果显示,首批与正常批的烘丝工序筒壁温度从开始上升至稳定状态的差异明显减小,料头出口水分波动得到有效控制,稳定性显著提高,如图5所示。优化后预热时间缩短66.7%[(45±8)min→ (15±3)min],出口水分均匀性提升42.9%(CV:0.35→0.20),蒸汽单耗降低10.7%(2.8 kg/kg→2.5 kg/kg)。

料头烘透程度也得到了更好的保证,产品质量的一致性得到提升,有效验证了本研究提出的解决方案的有效性和可行性。

4 结束语

本研究通过建立烘丝机热力学参数关联模型,开发出基于冷凝水温度反馈的预热控制策略,有效解决了料头阶段工艺波动问题。该方案在烟草行业具有推广价值,后续可结合数字孪生技术实现智能预测控制。

[参考文献]

[1] IncroperaF P,DewittDP.Fundamentals ofheat andmass transfer [M].7th ed.state of New Jersey: wiley,2013.

《机电信息》2025年第13期第16篇